一种基于可调谐激光的移频激发拉曼光谱的信号强度检测
装置及方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及拉曼光谱的信号强度检测技术领域。
背景技术
[0002] 拉曼光谱是一种检测速度快、无需预处理、对被测物质无损伤且能够完整地反应分子内部结构信息等显著优势的检测技术，被广泛地应用于
食品安全、化学分析和材料分析等领域。但是在大多数拉曼检测过程中会伴随着荧
光信号的产生，弱
荧光信号会严重干扰对弱拉曼信号的识别，强荧光信号甚至会淹没拉曼信号，所以在拉曼检测过程中去除荧光干扰能够非常有效地提高检测效率。
[0003] 目前被广泛采用的有效的抑制荧光的方法主要有荧光猝灭法、时间分辨法、数值处理法和移频激发法。荧光猝灭法是通过在待测样品中加入特定荧光猝灭剂或增加样品的曝光时间来降低荧光产率，此方法只能针对少数特定样品且测量过程引入的额外条件给测量结果带来很大不确定性。时间分辨法利用了拉曼光寿命远远小于
荧光寿命的特性，通过采用超短脉冲光或高频调制
光源在时域将二者分开，但基于此方法构建的拉曼系统由于需要采用高速响应器件而大幅提高了成本。数值处理法利用拉曼信号和荧光信号的不同
频谱特性，通过
傅立叶变换和曲线拟合等方式从荧光背景中提取微弱的拉曼信号，但该方法受
软件算法的影响较大，测量结果一致性差。
[0004] 移频激发法是基于荧光与激发
波长不相关的特性，在相同的收集条件下，当用两束波长具有微小差别的激
光激发样品时，获得的两个光谱中荧光信号几乎不发生改变，而所有的拉曼信号都会产生微小偏移。将两次收集的信号相减即可以获得去除荧光干扰的差分拉曼光谱信号，再反演出原始拉曼光谱信号，进而实现对待测样品的分析，反演原始拉曼光谱信号的过程计算量大，而且会引入误差。移频激发法能够实现的关键是要确保有至少两个稳定的、具有不同波长的激发光。已有的技术中，大多是采用两个不同波长输出的
激光器，激光器的波长需要做高
精度的
电流控制和
温度控制来确保激光波长输出的
稳定性，使用多支激光器不利于系统集成，且增加了成本。另一种广为采用的技术是采用单支波长可调的激光器，通过调节激光的
工作温度、电流或通过外腔反馈来实现激发波长的改变，这种技术的优势是只使用一个激光源减小了系统体积、降低了成本。但是电流调节实现的波长改变通常只能达到0.5nm，不能满足具有宽谱物质的探测；温度调节波长速度慢，稳定调节1nm所需时间大于30s，导致整个系统实时性差；外腔反馈调节对于机械装置精
密度等级要求高，且需要严格的
温度控制确保波长稳定输出，大大提高了系统的复杂度和成本。
发明内容
[0005] 本发明是为了解决移频激发装置结构复杂，实时性差及无法探测宽谱物质，根据差分拉曼光谱信号反演原始拉曼光谱信号的方法计算量大，而且会引入误差的问题，从而提供
一种基于可调谐激光的移频激发拉曼光谱的信号强度检测装置及方法。
[0006] 本发明所述的一种基于可调谐激光的移频激发拉曼光谱的信号强度检测装置，包括电流
驱动器、
半导体激光器、光栅、光栅
控制器、反射镜、带通滤光片、第一凸透镜、激发光纤、第二凸透镜、样品容器、高通滤光片、耦合透镜组、收集光纤、光谱仪和光谱分析模
块；
[0007] 电流驱动器的
控制信号输出端连接半导体激光器的控制信号输入端，半导体激光器发出的
准直光束入射至光栅，光栅固定在光栅控制器上，经光栅衍射后的第零级光束入射至反射镜，反射镜反射后的光束入射至带通滤光片，带通滤光片出射的光束入射至第一凸透镜，第一凸透镜将光束汇聚并耦合进激发光纤的一端，从激发光纤的另一端出射的光束入射至第二凸透镜，第二凸透镜将光束汇聚至样品容器，样品容器中样品的
拉曼散射光经高通滤光片后入射至耦合透镜组，耦合透镜组将光束汇聚到收集光纤的一端，收集光纤的另一端连接光谱仪的光学
接口，光谱仪的信号输出端连接光谱分析模块的信号输入端。
[0008] 上述经光栅衍射后的第零级光束的光功率大于100mW，线宽小于0.5nm，波长调谐范围大于10nm。
[0009] 上述第一凸透镜和激发光纤的距离范围为(f1-5mm)～(f1+5mm)，f1为第一凸透镜的焦距。
[0010] 上述半导体激光器发出的光束入射至光栅的入射
角θ的范围为：10°<θ<80°，且θ与半导体激光器的输出波长λ和光栅的空间结构周期d满足关系式：λ＝2dsinθ。
[0011] 上述光栅摆偏角度变化量 其中△λ为待测物质拉曼光谱线宽。
[0012] 上述经光栅衍射后的第零级光束的光功率的范围为100mW～300mW。
[0013] 基于上述检测装置的检测方法，包括拉曼光谱的信号强度采集过程和分析过程：
[0014] 拉曼光谱的信号强度采集过程包括以下步骤：
[0015] 步骤一一，将待测样品放置在样品容器中，开启电流驱动器，波长为λ1的激光照射在样品上；
[0016] 步骤一二，光谱仪采集初始光谱并输送至光谱分析模块，光谱分析模块对接收到的光谱做初步分析，判定光谱的时间稳定度和荧光背景
水平；
[0017] 步骤一三，根据步骤一二中的光谱时间稳定度和荧光背景水平，判断激光功率是否合适即既不破坏样品分子结构，所激发的荧光又不会造成光谱仪的光探测单元饱和，如果判断结果为是，则执行步骤一四，如果判断结果为否，则调整第一凸透镜与激发光纤的入射端面间的距离，并返回步骤一二；
[0018] 步骤一四，光谱分析模块采集记录激发波长为λ1时的光谱信号强度R1；
[0019] 步骤一五，通过光栅反馈控制器调整光栅的偏摆角度，使激发波长为λ2，光谱分析模块采集记录激发波长为λ2时的光谱信号强度R2；
[0020] 拉曼光谱的信号强度分析过程包括以下步骤：
[0021] 步骤二一，将光谱分析模块采集记录的两个不同激发波长下的光谱信号强度R1和R2做差，获得初始差分拉曼光谱信号强度D0，D0＝R2-R1；
[0022] 步骤二二，获取初始差分拉曼光谱信号强度D0中强度最大的
差分信号的中心
波数分别对光谱信号强度R1和R2在 的波数范围内做积分，分别获得表征激发光功率的值I1和I2；
[0023] 步骤二三，对光谱信号强度R1和R2分别进行功率归一化，然后将二者做差获得归一化的差分拉曼光谱信号强度D，D＝R2/I2-R1/I1；
[0024] 步骤二四，在 范围内均匀提取归一化的差分拉曼光谱信号强度 共计N个数据点， 为待测物质拉曼光谱线宽，i＝1～N，N为大于1的整数；
[0025] 步骤二五，对 范围内提取的N个数据点分逐点取绝对值求和，获得拉曼光谱信号强度值A，
[0026] 本发明所述的一种基于可调谐激光的移频激发拉曼光谱的信号强度检测装置，利用单支、无温控、无需精密机械装置且波长可调谐的激光器并结合本发明所述的光谱信号强度分析方法实现强荧光物质的拉曼信号强度的检测装置和方法。用一个波长可调谐激光器可以使整个移频激发系统结构变得更加简化和紧凑，有利于系统的小型化和便携化。利用了外腔半导体激光器输出波长主要依赖于光栅反馈角、对工作温度变化不敏感的物理特性，以及当激发光波长差值大于待测物质拉曼光谱线宽情况下差分光谱信号幅值与波长差无关的
光谱特性，结合本发明所述的光谱分析方法，激光器无需温控，实时性好，能够保证测量的准确度，降低了系统复杂度，缩减了系统体积和成本，提高了系统集成度和稳定性，通过改变光栅反馈角调节激光器输出波长，波长调谐范围大，可实现宽谱物质的探测。激发光功率大小的调节是通过控制自由光耦合至激发光纤的效率来实现，而非传统技术中通过改变激光注入电流来改变输出功率，这样能够确保不改变激发光的输出光谱特性，实现纯粹的光功率调整。本发明的装置与现有商品化的小型光谱仪具有很好的兼容性，易于被应用构建新型拉曼光谱检测系统。
[0027] 本发明所述的一种基于可调谐激光的移频激发拉曼光谱的信号强度检测方法，对获得的初始差分拉曼光谱信号积分并归一化，得到归一化的差分拉曼光谱信号，均匀提取N个数据点并取绝对值求和，得到拉曼光谱信号强度值，进而实现对待测样品的分析。不必反演原始拉曼光谱信号，就能实现对待测样品的分析，计算量小，计算结果准确。
附图说明
[0028] 图1是具体实施方式一所述的一种基于可调谐激光的移频激发拉曼光谱的信号强度检测装置的结构示意图。
[0029] 图2是具体实施方式七中的
杀菌剂三环唑的工业原药在两种不同波长激发下获取的归一化的拉曼光谱图。
[0030] 图3是具体实施方式七中的杀菌剂三环唑的工业原药的归一化的差分拉曼光谱图。
具体实施方式
[0031] 具体实施方式一：结合图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于可调谐激光的移频激发拉曼光谱的信号强度检测装置，包括电流驱动器1、半导体激光器2、光栅3、光栅控制器4、反射镜5、带通滤光片6、第一凸透镜7、激发光纤8、第二凸透镜9、样品容器10、高通滤光片11、耦合透镜组12、收集光纤13、光谱仪14和光谱分析模块15；
[0032] 电流驱动器1的控制信号输出端连接半导体激光器2的控制信号输入端，半导体激光器2发出的准直光束入射至光栅3，光栅3固定在光栅控制器4上，经光栅3衍射后的第零级光束入射至反射镜5，反射镜5反射后的光束入射至带通滤光片6，带通滤光片6出射的光束入射至第一凸透镜7，第一凸透镜7将光束汇聚并耦合进激发光纤8的一端，从激发光纤8的另一端出射的光束入射至第二凸透镜9，第二凸透镜9将光束汇聚至样品容器10，样品容器10中样品的拉曼散射光经高通滤光片11后入射至耦合透镜组12，耦合透镜组
12将光束汇聚到收集光纤13的一端，收集光纤13的另一端连接光谱仪14的光学接口，光谱仪14的信号输出端连接光谱分析模块15的信号输入端。
[0033] 电流驱动器1的控制信号输出端连接半导体激光器2的控制信号输入端，为半导体激光器2提供电流激励，为半导体激光器2芯片中的增益介质提供
能量，使其出射最佳输出功率。半导体激光器2发射的激光由其自带的准直镜准直后入射至光栅3，光栅3安装在光栅控制器4上。由光栅控制器4控制光栅3的偏摆和
俯仰姿态到特定
位置，能将光栅3衍射的第一级光束反馈给半导体激光器2的
谐振腔，从而实现纵模选择和线宽压缩的作用，通过改变光栅3的偏摆角度来改变半导体激光器2的出射波长。光栅3的偏摆角度θ与半导体激光器2输出波长λ和光栅3的空间结构周期d之间满足的关系由光栅方程决定：λ＝2dsinθ。光栅3衍射后的第零级光束入射至反射镜5，反射镜5与光栅安装在同一底座上，可确保激光光束的传播方向不因光栅3偏摆角度的调整而发生改变。经反射镜5反射后的光束入射至带通滤光片6，带通滤光片6只允许激光波长附近10nm左右波长范围的光通过，其他波段的透过率小于千分之一，有效抑制半导体激光器2的自发
辐射荧光对测量的干扰。透过带通滤光片6的光束入射至第一凸透镜7，经第一凸透镜7汇聚耦合进激发光纤8的一端，再从激发光纤8另一端出射后入射至第二凸透镜9，经过第二凸透镜9汇聚后的光束入射至样品容器10。样品容器可以容纳固态物质也可容纳液态物质，可实现固液两种形态物质的检测。样品容器10中样品的拉曼散射光经高通滤光片11后入射至耦合透镜组12，高通滤光片11为截止型滤光片，小于激发波长的光的透过率小于千分之一，可进一步抑制半导体激光器2的自发辐射荧光及其他背景光对测量的干扰。样品散射光由耦合透镜组12汇聚后入射至收集光纤13的一端，收集光纤13的另一端连接至光谱仪14的光学接口，光谱仪14的信号输出端连接至光谱分析模块15的信号输入端。光谱仪14为市面常见的微型光栅光谱仪。
[0034] 具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于可调谐激光的移频激发拉曼光谱的信号强度检测装置作进一步说明，本实施方式中，经光栅3衍射后的第零级光束的光功率大于100mW，线宽小于0.5nm，波长调谐范围大于10nm。
[0035]
现有技术中通过电流调节实现的波长改变通常只能达到0.5nm，而本实施方式的波长调谐范围大于10nm，可实现宽谱物质的探测。
[0036] 具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于可调谐激光的移频激发拉曼光谱的信号强度检测装置作进一步说明，本实施方式中，第一凸透镜7和激发光纤8的距离范围为(f1-5mm)～(f1+5mm)，f1为第一凸透镜7的焦距。
[0037] 第一凸透镜7和激发光纤8的距离在(f1-5mm)～(f1+5mm)范围内时光束才能耦合进激发光纤8，当距离超过此范围时几乎没有光束耦合进光纤。
[0038] 具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于可调谐激光的移频激发拉曼光谱的信号强度检测装置作进一步说明，本实施方式中，半导体激光器2发出的光束入射至光栅3的入射角θ的范围为：10°<θ<80°，且θ与半导体激光器2的输出波长λ和光栅3的空间结构周期d满足关系式：λ＝2dsinθ。
[0039] 具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于可调谐激光的移频激发拉曼光谱的信号强度检测装置作进一步说明，本实施方式中，光栅3摆偏角度变化量 其中△λ为待测物质拉曼光谱线宽。
[0040] 具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式二所述的一种基于可调谐激光的移频激发拉曼光谱的信号强度检测装置作进一步说明，本实施方式中，经光栅3衍射后的第零级光束的光功率的范围为100mW～300mW。
[0041] 具体实施方式七：结合图2和图3具体说明本实施方式，本实施方式是基于具体实施方式一所述的一种基于可调谐激光的移频激发拉曼光谱的信号强度检测装置的检测方法，包括拉曼光谱的信号强度采集过程和分析过程：
[0042] 拉曼光谱的信号强度采集过程包括以下步骤：
[0043] 步骤一一，将待测样品放置在样品容器10中，开启电流驱动器1，波长为λ1的激光照射在样品上；
[0044] 步骤一二，光谱仪14采集初始光谱并输送至光谱分析模块15，光谱分析模块15对接收到的光谱做初步分析，判定光谱的时间稳定度和荧光背景水平；
[0045] 步骤一三，根据步骤一二中的光谱时间稳定度和荧光背景水平，判断激光功率是否合适即既不破坏样品分子结构，所激发的荧光又不会造成光谱仪14的光探测单元饱和，如果判断结果为是，则执行步骤一四，如果判断结果为否，则调整第一凸透镜7与激发光纤8的入射端面间的距离，并返回步骤一二；
[0046] 步骤一四，光谱分析模块15采集记录激发波长为λ1时的光谱信号强度R1；
[0047] 步骤一五，通过光栅反馈控制器4调整光栅3的偏摆角度，使激发波长为λ2，光谱分析模块15采集记录激发波长为λ2时的光谱信号强度R2；
[0048] 拉曼光谱的信号强度分析过程包括以下步骤：
[0049] 步骤二一，将光谱分析模块15采集记录的两个不同激发波长下的光谱信号强度R1和R2做差，获得初始差分拉曼光谱信号强度D0，D0＝R2-R1；
[0050] 步骤二二，获取初始差分拉曼光谱信号强度D0中强度最大的差分信号的中心波数分别对光谱信号强度R1和R2在 的波数范围内做积分，分别获得表征激发光功率的值I1和I2；
[0051] 步骤二三，对光谱信号强度R1和R2分别进行功率归一化，然后将二者做差获得归一化的差分拉曼光谱信号强度D，D＝R2/I2-R1/I1；
[0052] 步骤二四，在 范围内均匀提取归一化的差分拉曼光谱信号强度 共计N个数据点， 为待测物质拉曼光谱线宽，i＝1～N，N为大于1的整数；
[0053] 步骤二五，对 范围内提取的N个数据点分逐点取绝对值求和，获得拉曼光谱信号强度值A，
[0054] 拉曼光谱信号强度表征待测样品的浓度，拉曼光谱信号强度可用于对待测物浓度实施定量分析。光谱分析模块15的拉曼光谱分析方法基于两点：1)半导体激光器2的输出波长主要依赖于光栅3的偏摆角度，而对工作温度变化不敏感；2)当激发光波长差值大于待测物质拉曼光谱线宽情况下，差分光谱信号幅值与波长差无关。因此，只要保证激发光波长差值大于待测物质拉曼光谱线宽，即使激光波长有nm级别的浮动，在光谱分析模块15中的新型拉曼光谱分析方法的保证下，对半导体激光器2也无需实施温度控制。图2为杀菌剂三环唑的工业原药在两种不同波长激发下获取的归一化的拉曼光谱图，可见在两种波长下归一化的拉曼光谱图几乎重合，将两种波长下光谱信号强度作差，得到归一化的差分拉曼光谱图，如图3所示。
